DARPA开发取代GPS的定位、导航和授时新技术

美国国防高级研究计划局（DARPA）目前正在执行多项计划，开发在全球定位系统（GPS）遭到拒止的情况下，提供精确定位的新途径。其中包括开发大小如硬币的惯性传感器、脉冲激光器等。

在当今的世界，全球定位系统（GPS）难以计数的军用、民用应用提供实时的定位、导航和授时（PNT）服务，不仅汽车、船舶、飞机和列车都使用GPS，就连智能手机和手表都整合了GPS应用。GPS使得包括无人驾驶车辆、精密弹药、自主供给链管理等在内的诸多方面都取得了长足的进展。然而， GPS依然存在其局限性：在地下和水中，都不能接收到GPS信号；在太阳风暴发生时，GPS信号会明显变坏，甚至完全不能使用； GPS信号可能会遭到敌人的干扰。对于指望GPS作为唯一PNT来源的战斗人员来说，GPS局限性可能会成为致命的问题。DARPA为了解决GPS的问题，正在执行多项计划，开发创新的技术，最终提供可靠的高精度PNT能力来应对GPS能力下降和缺失的情况。DARPA要引入新的结构、器件和算法，让部队和PNT系统摆脱对于GPS的依赖。

DARPA目前执行的5个与PNT技术相关的项目包括：自适应导航系统、微技术PNT系统、量子辅助传感和读出系统（QuASAR）、超高速激光科学和工程应用系统、竞争性区域的空时方位信息计划。

自适应导航系统（ANS）旨在为各种PNT传感器的跨多种平台快速即插即用开发新的算法和结构体系，降低开发成本，将开发部署周期从若干个月缩短为若干天。研发性能更优的新型惯性器件，这类惯性器件使用冷原子干涉测量法，能够测量传感器内原子云的相对加速度和转动。这一计划目标以此来撬动量子物理的优先研究，从而研发极精确的惯性测量装置。这种装置不需要外部数据修正时间和位置信息，可独立长时间有效工作。此外，自适应导航系统还寻求利用包括商业卫星信号、无线电信号和电视信号甚至雷电在内的各种非导航电磁信号来为PNT提供更多的参考点。这些信号源结合在一起所提供的PNT信号比GPS更加丰富，强度也更强，从而为GPS拒止的环境和GPS不佳的环境提供位置信息。

PNT微技术系统（Micro-PNT）就是要利用DARPA已经开发的微机电系统技术实现PNT的超微型化，包括开发高稳定性和高精度的芯片级陀螺仪、时钟和完整的集成化的授时与惯性测量器件。DARPA的研究人员已经制造了1枚高度集成化的授时与惯性测量器件样品，即在1枚芯片上集成了3个陀螺仪、3个加速度计和1个高精度的主计时器，而这枚芯片能够轻易安装在1枚硬币大小的面积上。与现有传感器相比，DARPA开发的这种具备自校准能力的高性能高效费比的微型传感器在尺寸，重量和功率消耗诸方面的提升都是巨大的。

量子辅助传感和读出系统计划（QuASAR）旨在制造世界上最准确的原子钟，要求既结实又轻便。该项目研究人员已经在实验室内开发出了光学原子钟，其授时误差不到每50亿年1秒。使这种高精度原子钟的轻便化有可能改进现有的包括GPS在内的各种军用系统，还有可能应用于完全新型的雷达、激光雷达和计量学装置。

超高速激光科学和工程应用系统（PULSE）通过运用最新的脉冲激光技术来显著提高原子钟和微波源的精度，并且减小其尺寸，实现更加准确的远距离时间和频率同步。这样的能力对于充分发挥超精密原子钟的性能是必不可少的。如果成功，PULSE技术就能使最准确的光学原子钟在全世界范围内进行同步授时。

竞争性区域的空时方位信息计划（STOIC）是要开发新型的PNT系统，在竞争性区域提供不依赖于GPS但定位、授时精度具有与GPS相当的服务。STOIC计划要开发的新型PNT系统包括3个主要部分，将它们综合在一起就有可能提供全球的不依赖于GPS的PNT服务，包括远程高生命力的参考信号、超稳定的战术时钟以及多用功用户系统。（李洪兴）endprint